TY  - THES
A1  - Grosse, Peter
T1  - Modellierung der Sedimentdynamik im Rofental, Ötztaler Alpen, unter Verwendung eines nichtparametrischen Modells
N2  - The continued melting of glaciers releases more sediment deposits, making them more susceptible to erosion. Increased sediment discharge rates endanger water quality and water supply due to reservoir siltation. In order to better understand these hazards and their evolvement, erosion processes need to be studied, especially in high alpine catchment areas. In this bachelor thesis, sediment concentrations as well as other environmental variables, such as discharge, precipitation and temperature, were measured in the Rofental catchment (Ötztal Alps) and in a highly glaciated sub-catchment of the Rofental. The quantile regression forest machine learning technique was applied to determine the correlation between sediment concentration and ancillary variables. The variables were aggregated to different levels, which allowed past hydroclimatic conditions to be taken into account. Considering the knowledge regarding the influence of these environment variables, the sediment concentration could be retrospectively simulated using a Monte Carlo approach. The resulting continuous time series was used to calculate the annual sediment export rates. The turbidity, as an indicator for the sediment concentration, was measured as well. By determining the correlation between the modelled data and the measured turbidity, the significance of the model could be assessed. The results show that the quantile regression forest model is a suitable approach to reconstruct the sediment dynamics in the Rofental. It further emerged that the discharge has a great impact on the sediment concentration in both catchments, with the relevance of the other variables varying widely between both study areas. The correlation between the measured turbidity and the simulated sediment concentration is strongly positive, whereby debris flows, measurement errors and the rinse of new sediment reservoirs deteriorated the model’s performance.
N2  - Durch das anhaltende Rückschmelzen von Gletschern werden mehr Sedimentdepots freigesetzt, wodurch diese anfälliger für Erosion werden. Erhöhte Sedimentaustragsraten gefährden die Wasserqualität sowie die Wasserversorgung durch Stauraumverlandung. Um diese Gefahren und deren Abläufe besser verstehen zu können, müssen Erosionsprozesse vor allem in hochalpinen Einzugsgebieten erforscht werden. In dieser Bachelorarbeit wurden Sedimentkonzentrationen sowie weitere Umgebungsvariablen (Abfluss, Niederschlag und Temperatur) im Rofental, Ötztaler Alpen und in einem stark vergletscherten Teileinzugsgebiet des Rofentals gemessen. Um den Zusammenhang zwischen der Sedimentkonzentration und den gemessenen Umgebungsbedingungen zu ermitteln, wurde das Quantile Regression Forest Modell verwendet. Dabei wurden die Variablen zu unterschiedlichen Zeitstufen aggregiert, wodurch vergangene hydroklimatische Bedingungen berücksichtigt werden konnten. Mit der Kenntnis über den Einfluss der verschiedenen Einflussfaktoren konnte die Sedimentkonzentration rückwirkend mithilfe eines Monte Carlo Ansatzes kontinuierlich modelliert werden, wodurch Aussagen über die jährlichen Sedimentexportraten getätigt werden konnten. Weiterhin wurde auch die Trübung, welche als Indikator für die Sedimentkonzentration angesehen werden kann, gemessen. Durch die Bestimmung der Korrelation zwischen modellierten Daten und der gemessenen Trübung konnte der Aussagegehalt des Modells beurteilt werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Quantile Regression Forest Modell geeignet ist, um die Sedimentdynamik im Rofental zu rekonstruieren. Es stellte sich weiterhin heraus, dass der Abfluss in beiden Untersuchungsgebieten den größten Einfluss auf die Sedimentdynamik hat, wobei sich die Relevanz verschiedener Variablen in beiden Untersuchungsgebieten stark unterschied. Gemessene Trübungsdaten und die modellierten Sedimentkonzentrationen korrelierten stark positiv, wobei Murgänge, Messfehler und die Anzapfung neuer Sedimentdepots zur Verschlechterung der Modellgüte führten.
KW  - Erosion
KW  - suspended sediment
KW  - Rofental
KW  - quantile regression forest
KW  - Sedimentdynamik
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-506695
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuhnert, Matthias
T1  - Quantifizierung von Oberflächenabfluss und Erosion auf Böden mit hydrophoben Eigenschaften
T1  - Quantification of surface runoff and soil erosion on water repellent soils
N2  - Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts führten. Räumliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese räumlichen und zeitlichen Variabilitäten wirkten sich auch auf den Oberflächenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf Böden mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich höher als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Flächengröße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begründet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen über eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage ermöglicht sie die gleichzeitige Messung des Oberflächenabflusses. Die Messapparatur wurde für Gebiete entwickelt, die eine überwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zusätzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der räumlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. Für die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur über die Fläche bewegt und punktuell Höhenunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode können auch größere Flächen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den Übergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen räumlichen Auflösung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, müssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fläche. Zusätzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentausträge während des Sommerhalbjahrs und kaum Austräge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine größere Bedeutung der Rillenerosion gegenüber der Zwischenrillenerosion für Niederschlagsereignisse hoher Intensität (>25 mm/h in einem zehnminütigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensität (<20 mm/h in einem zehnminütigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensität von mindesten 3,6 mm/h nötig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abflüssen und Sedimentausträgen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse für die untersuchte Fläche ermöglichen. Während die Menge an Oberflächenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einflüsse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.
N2  - The objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channel areas (hydrophillic) and to knoll areas (water repellent). Both the spatial as well as the temporal variation of the soil conditions affect surface runoff which is investigated as a runoff coefficient (RC: ratio of amount of surface runoff to amount of precipitation). The RC shows higher values on soil with water repellent conditions (RC=0.8) in comparison with the values on hydrophilic soils (RC=0.2). The hydrophilic conditions predominate in areas with different substrates and during the winter. Observations on different scales show a decreasing RC as the size of the area increases (RC = 0.8 on the plot scale, RC = 0.5 on the hill slope scale and RC = 0.2 for the entire catchment area). The reasons for this are the hydrophilic rill in the hill slope area and the hydrophilic substrate in the entire catchment area. The measurement of erosion, based on different methods, some of them just newly developed, quantifies in a good resolution sediment transport spatially as well as temporally. The central part of one of the newly developed approaches is a balance which quantifies an event based sediment output. This approach is coupled with a tipping bucket to measure surface runoff. The system has been developed for coarse textured areas with little amounts of sand and silt. Additionally, two laser systems are used to detect changes in the soil surface over the spatial distribution. The first method contains a laser which measures only a single point and has to be moved in a fixed apparatus above the soil surface in a well defined raster. The areas of sediment abrasion and the detachment areas are restricted by interpolation of the measurement results. This method enables measurements on large areas (16 m² in this project), but tends to result in a high level of errors in the transition zone between rill and interrill. The second laser system covered an area of 1 m² in high resolution. To construct a three-dimensional picture, four different pictures have to be taken from four different directions. This defines the abrasion and detachment areas in a very detailed manner, but the method is very time-consuming and covers only a small area. In addition, measurements on the plots collected the amount of sediment output on a small scale. These results show, corresponding to the water repellent soil conditions, high rates of sediment output during summer, but low rates during winter season. The results show also the dominance of rill erosion in comparison with interrill erosion during high intensity rainfall events (>25 mm/h during one interval of ten minutes). On the contrary, interrill erosion becomes more important during low intensity rainfall events (<20 mm/h during at one interval of ten minutes). At least a 9 mm amount of precipitation with a minimum intensity of 3.6 mm/h is necessary to provoke erosion on this test site. Based on the measurement results regression empirical equations were developed to quantify surface runoff and sediment output. While, surface runoff correlates well with the amount of precipitation (r² = 0,9), sediment output shows little correlation to the amount and intensity of the precipitation (r² = 0,7). In summary, the thesis described effects of water repellent soil conditions on surface runoff and erosion on different scales. The effects on the smaller scales especially are of high interest to hydrological processes.
KW  - Oberflächenabfluss
KW  - Erosion
KW  - Hydrophobie
KW  - Messmethoden
KW  - Hangskala
KW  - surfac runoff
KW  - soil erosion
KW  - hydrophobicity
KW  - measurements
KW  - hill slope scale
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mathaj, Martin
T1  - Modellierung von Vegetationsentwicklung und Erosion entlang eines Klimagradienten von mediterran bis semiarid
T1  - Modeling of vegetation growth and erosion along a climate gradient from Mediterranean to semiarid
N2  - In dieser Arbeit wurde ein Modell mit einem gitterbasierten Ansatz entwickelt, um im Mediterranen entlang eines Klimagradienten Auswirkungen zu untersuchen, die Klima, Exposition, Hangneigung sowie Störungen durch Feuer und Beweidung auf die Vegetations und Erosionsentwicklung besitzen. Für die Fragestellung wurden Vegetationsalgorithmen benutzt. In dieser Studie verwendet wurden allgemeine Oberflächenprozesse, wie Wasser- und Sedimenttransport, die durch physikalische und empirische Modelle beschrieben worden sind. Des Weiteren wurde ein Sedimentverlust mit Hilfe der USLE kalkuliert, um ein Vergleich zwischen verschiedenen Erosionsansätzen herzustellen. Die Vegetationsentwicklung und Erosion der mediterranen Gebiete konnte mit diesem Modell gut abgebildet werden. Für die Vegetation der verschiedenen Klimagebiete und Habitate erwiesen sich die Wasserverfügbarkeit und die Infiltrationsrate als maßgeblich. Die Erosion wurde vor allem durch einzelne heftige Niederschlagsereignisse beeinflusst. Dabei war vor allem am Hang und an steilen Neigungen ein hohes Erosionspotential gegeben. Störungen durch Beweidung wirkten negativ auf die Vegetation und verstärkten die Erosion. Feuer beeinflusste die Vegetations- und Erosionsentwicklung nur geringfügig und ist somit zu vernachlässigen. Verschiedene Böden mit unterschiedlichen Texturen wiesen ein sehr unterschiedliches Erosionsverhalten auf. Dabei wiesen mittlere Korndurchmesser des Oberbodens von 0,02 bis 0,2 mm die höchste Erosion auf. Die Vegetationsentwicklung wurde hingegen von der Bodentextur nicht beeinflust. Der Vergleich der Erosion berechnet durch die USLE und den Transportratenansatz verdeutlichte, dass die mittlere Erosion sehr ähnlich ausfällt. Die USLE wies weniger Variabilität in der Erosion auf und benötigte zudem recht detaillierte Bodendaten. Der Ansatz gerade für die Erosionsberechnung in Form der Transportrate zeigte ein gutes Vorhersagepotential auf. In sehr variablen Umwelten ist diese Methode gegenüber konservativen Erosionsmodellen zu bevorzugen, da interanuelle Dynamiken miterfasst werden, wie der Vergleich mit der USLE in der Studie gezeigt hatte. Mit Hilfe des Ansatzes der Transportrate besteht die Möglichkeit, Vorhersagen über Erosion ökonomisch und effizient zu gestalten.
N2  - This study investigates by a grid based model in the Mediterranean sites along a climate gradient from arid to mesic Mediterranean the effects of climate, exposition, gradient as well as disturbances by fire and grazing/browsing to the vegetation and erosion development. The vegetation algorithms are basing on Köchy (2006) and Malkinson and Jeltsch (2007). The surface processes like runoff and soil transport will be determined by physical and empirical models from Manning, Shields, Strickler and van Rijn. Furthermore the universal soil loss equation - USLE - (Wischmeier and Smith, 1978) was used to compare the different approaches with each other. The model was able to indicate the Vegetation and erosion development in the Mediterranean well. Thereby the infiltration rate and the water availability were the most important parameter for the vegetation development. However the erosion was mainly influenced by heavy precipitation events. Disturbances by grazing/browsing were negative for the vegetation cover and increase the erosion. The comparison of the erosion calculated by the USLE clarify at mean similar erosion rates, but the USLE was not able to demonstrate the intra annual variability. The approach to calculate the erosion by physical and empirical models display a good prediction especially in variable environments.
KW  - Beweidung
KW  - Hangneigung
KW  - Korngröße
KW  - Erosion
KW  - erosion
KW  - grazing
KW  - slope
KW  - grain size
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27863
ER  -